हरितापासून हरिताकडे (डॉ. अरविंद नातू)

रसायनशास्त्राची व्याप्ती मोठी आहे आणि जीवनाचं प्रत्येक अंग या शास्त्रानं व्यापून टाकलं आहे. दुर्गंध, ज्वलनशील, अपघात, स्फोट आणि आरोग्याला विघातक या शब्दांशी निगडित असलेली रसायनशास्त्राची ओळख आगामी काही वर्षांत पुसेल आणि ‘हरित रसायन’ या संकल्पनेच्या दिशेनं या शास्त्राची वाटचाल होईल. आणखी काय आहे या शास्त्राच्या भविष्याच्या पोटात, त्यामुळं सर्वसामान्यांना काय फायदे होतील, काही गोष्टींची परिमाणं कशी बदलून जातील आदी गोष्टींचा वेध.

हरितापासून हरिताकडे रसायनशास्त्राची धाव आहे 
प्रगतीबरोबर पर्यावरणाचा ध्यास आहे.

रसायनशास्त्राची पुढील वाटचाल प्रामुख्यानं याच हरित वाटेवरून होणार आहे. रसायनशास्त्राची व्याप्ती फारच मोठी आहे, जीवनाच्या प्रत्येक अंगात रसायनांचा वापर अपरिहार्यच ठरतो आणि अशा सर्वव्यापी शास्त्राचा थोड्या शब्दांत त्याच्या पुढील वाटचालीचा यथार्थ आढावा घेणं अशक्‍यप्राय आहे. त्यामुळं स्थल-संकोचामुळं बहुतेक मुद्‌द्‌याचा फक्त थोडक्‍यातच परामर्श घेतला आहे. 

रसायनशास्त्राची व्याप्ती फारच विशाल आहे, नुसती मूलभूत रसायनं सोडली, तरी औषधं, रासायनिक खतं, रंग, तेल रसायनं, कापड उद्योग, खेळ साहित्य अशा अनेक क्षेत्रांचा यात समावेश आहे. या अशा सर्वव्यापी क्षेत्राची जनमानसातली ओळख मात्र दुर्गंध, ज्वलनशील, अपघात, स्फोट आणि आरोग्याला विघातक या शब्दांशी निगडित आहे. ही प्रतिमा बदलण्यासाठी आणि ‘केमिस्ट्री मॅचिंग’ला त्याचा मूळ अर्थ प्राप्त करून देण्यासाठी ‘हरित रसायन’ या  संकल्पनेचा उदय काही वर्षांपासून सुरू झाला आहे; पण रसायनविश्‍वाचा आवाकाच एवढा मोठा आहे, की पुढली बरीच वर्षं रसायनशास्त्राची वाटचाल याच दिशेनं होणार आहे, यात शंका नाही.

एक किलो औषध उत्पादन करताना अडीच किलो अनावश्‍यक पदार्थ (वेस्ट) तयार होतात. यापुढं मुळातच हा वेस्ट तयारच होणार नाही, या दृष्टीनं वाटचाल करावी लागेल आणि जो काही अपरिहार्य आहे, त्याची पर्यावरणपूरकता कशी वाढवता येईल, हे पाहिलं जाईल. त्या दृष्टीनं नेहमीच्या तपमानाला द्रावक (सॉल्वंट) न वापरता किंवा शक्‍यतो पाणी वापरून विक्रिया सिद्ध करण्याचे प्रयत्न चालूच राहतील. मुख्य म्हणजे मर्यादित तेलसाठ्यामुळं बायोमास फीडस्टॉक म्हणजेच शेतीपासून, समुद्रापासून किंवा अन्नापासूनचा वेस्ट, यांपासूनच आपल्याला कच्चा माल मिळवावा लागेल उदाहरणार्थ, मळी, सेल्युलोज, पाम, सोयाबीनसारखी तेलं आणि लिग्निन, स्टार्च यांसारख्या नैसर्गिक पदार्थांचा वापर रसायनं आणि इंधनउत्पादनासाठी करणं अपरिहार्यच ठरेल. भविष्यात यातल्या एकापेक्षा जास्त पदार्थ वापरून बायोरिफायनरी या नवीन संकल्पनेतून रसायनं, इंधन आणि ऊर्जेचं उत्पादन केलं जाईल आणि कमीत कमीत वेस्ट होईल, असंच पाहिलं जाईल. मुख्यत: शून्य वेस्ट आणि शून्य घातक रसायनाचा वापर हाच मंत्र राहील. जास्तीत जास्त पदार्थ शुद्धतेचा आग्रह धरला जाईल- ज्यायोगे पदार्थाचं विश्‍लेषण (ॲनॅलिसिस) सुलभ आणि कमी खर्चाचं होईल आणि वेगळीकरणाचा (सेपरेशन) खर्चही वाचेल. मूलत: विक्रियेच्या रचनेतच (रिॲक्‍शन डिझाइन) कमीत कमी रेणू (ॲटम इकॉनॉमी) वापरले जातील याची काळजी घ्यावी लागेल. ही अणू-रेणूंची काटकसर साधण्यासाठी संगणकाचा मोठया प्रमाणावर वापर करणं आवश्‍यकच आहे. आतापर्यंत अभियांत्रिकीशास्त्रामध्ये वापरल्या जाणाऱ्या सिम्युलेशन पद्धतीचा वापर मूळ विक्रियेची रचना करतानाच करावा लागेल. तात्पर्य काय, तर पूर्णपणे पर्यावरणपूरक रसायननिर्मिती हेच भावी काळातलं मोठं आव्हान असेल.

मूलभूत विचारसरणीतच बदल

जसे रसायननिर्मितीत हरित बदल होतील; तसंच रसायनशास्त्राच्या मूलभूत विचारसरणीतच बदल संभवतो. नेहमीच्या निर्मिती- विश्‍लेषण- उपयोग या शृंखलेला छेद देऊन उपयक्‍ततेनुसार पदार्थनिर्मिती हेच सूत्र राहील. त्यामुळं रसायननिर्मिती ही फोकस्ड होऊन किफायतशीर होईल. उदाहरणार्थ, एक औषध अगर कीटकनाशक तयार करण्यासाठी चार लाख पदार्थ तयार करावे लागतात. ही संख्या बरीच खाली येईल. अर्थात हे सर्व करताना मूळ संकल्पनेलाच धक्‍का लगणार नाही, याची काळजी घ्यावी लागेल. अर्थात यात मूलभूत शास्त्रापेक्षा उपयोजितशास्त्राकडं जास्त लक्ष केंद्रित होईल, अशी भीतीही काही शास्त्रज्ञांनी व्यक्‍त केली आहे. त्यामुळं यात समतोल साधणं हेही भविष्यकालातलं एक आव्हान असेल. 

या सर्व बदलाच्या मुळाशी विज्ञानाचं बदलतं स्वरूपच आहे- जे एका शाखेकडून आंतरशाखीय संशोधनाकडे वाटचाल करत आहे. नुसतं रसायन एके रसायन करून चालणार नाही, तर दुसऱ्या विज्ञान शाखा- विशेषत: जीवशास्त्र, भौतिक, गणित एवढंच नव्हे, तर अभियांत्रिकी आणि संगणकशास्त्र यांच्याशी मैत्री करूनच पुढची वाटचाल होणार आहे. विशेषत: जीवशास्त्राशी त्याची गाठ घट्ट मारलेली राहाणार आहे. जीव-सेंद्रीय रसायनशास्त्राची प्रगती नेत्रदीपकच असेल. उदाहरणार्थ, औषध संशोधनात रसायनशास्त्र, अभियांत्रिकी, निदानशास्त्र, फार्मॅकॉलॉजी, संख्याशास्त्र यातल्या तज्ज्ञांचा गट असेल आणि तोही प्रकल्प संकल्पनेपासूनच कालबद्ध सुयोग्य कार्यक्रम आखून यश मिळवता येईल. हेच जवळजवळ सर्व म्हणजे खतं, रंग, कीटकनाशकं या क्षेत्रांत ही अभिप्रेत असेल; मात्र हे सहकार्य करण्यासाठीच आपली ‘एकला चलो रे’ मानसिकता बदलायला हवी आणि कार्यसिद्धीवरच सर्व लक्ष केंद्रित करावं लागेल. या आंतरशाखीय विषयाचे दृश्‍य परिणाम म्हणजेच गेल्या काही वर्षांतली रसायनशास्त्रातली नोबेल पारितोषिकं जीवशास्त्रज्ञांनी पटकावली आहेत, तर वैद्यकीय क्षेत्रातली रसायनशास्त्रज्ञानी. जीव आणि रसायनशास्त्राचं हे जीवा-शिवाचं नातंच भावी काळात आपल्याला तरून नेईल. 

आंतरशास्त्रीय रसायनाचे दुसरं दालन म्हणजे मटेरिअल केमिस्ट्री. यात दिन-प्रतिदिन लागणाऱ्या साध्या कपबशीपासून ते विमानात/अंतराळातसुद्धा टिकणाऱ्या वस्तूंपर्यंत आणि संगणकातल्या स्मरण चीपमध्ये लागणाऱ्या पदार्थापासून ते इलेक्‍ट्रॉनिक्‍सला लागणाऱ्या सुट्या भागापर्यंत लागणाऱ्या योग्य त्या गुणधर्माचे पदार्थ तयार करणं हाच या आंतरशाखीय संशोधनाचा मूळ उद्देश असेल. उदाहरणार्थ, सिलिकॉनच्या ऐवजी ग्राफिनचा चीपमध्ये वापर करून स्मरणशक्‍ती वाढवणं किंवा विमानबांधणीत वजनानं हलक्‍या; पण कोणत्याही हवामानाला दाद न देणाऱ्या नवीन कंपोझिट्‌सची बांधणी करणं अगर सौर पॅनेलची निर्मितीक्षमता वाढवण्यासाठी लागणारे पदार्थ तयार करणं किंवा सौरऊर्जा साठवण्यासाठी लागणाऱ्या घटांच्या निर्मितीसाठी लागणारे पदार्थ तयार करणं ही भावी काळातली आव्हानं असून त्याच्या केंद्रस्थानी रसायनशास्त्रच असेल. रसायनशास्त्राच्या बदलणाऱ्या या मूलभूत संकल्पनेनंतर आता काही विशिष्ट विभागातली आव्हानं आणि त्याचं स्वरूप पाहू.

प्रभावी औषधांचा ‘गुण’
मानवी आरोग्य हा तर जिव्हाळ्याचाच विषय. कॅन्सरसारख्या रोगावरची लक्ष्यवेधी औषधं हे मोठं आव्हान आहे आणि तेही कोणत्याही साइड इफेक्‍ट्‌सशिवाय. बॅक्‍टेरियाचं तातडीनं आणि निर्धोक निदान करण्यासाठी लागणारे सेन्सर्स, सध्याच्या औषधाला दाद न देणाऱ्या रोगाणूंसाठी नवीन औषधं, शरीरातल्या वेगवेगळ्या निदानांसाठी उदाहरणार्थ एमआरआय टू-डी इकोसाठी लागणारे काँट्रास्ट दाखवणारे पदार्थ तयार करणे ही एक संशोधन दिशा राहील. ‘मधुमेहांची राजधानी’ असलेल्या भारताला तोंडावाटे घ्यायच्या इन्शुलिनच्या शोधानं साखरेची आणखीनच गोडी वाढेल, जुनीच औषधं; पण नव्या स्वरूपात आणल्यानं परिणामकारक ठरतील. उदाहरणार्थ, दम्यावरची औषधं पॅचच्या स्वरूपात आली, तर सोपं पडेल. ‘नॅनोदया’नं तर एक नवीन दिशाच औषधशास्त्रात दाखवली आहे. नेमकी यकृतात अगर (दुसऱ्या अवयवात) घेऊन जाणारी औषधं निघतील आणि त्याची मात्रा कमी होऊन परिणामी उपयुक्‍तता वाढेल. 

‘तुझे आहे तुजपाशी’ 
एका महत्त्वाच्या नवीन शाखेचा उल्लेख करायला हवा. ‘तुझे आहे तुजपाशी’ या नात्यानं आपत्या शरीरात असलेल्या प्रथिनं, डीएनए, कर्बोदकं याचाच उपयोग औषधासारखा आणि निदानशास्त्रासाठी करायला सुरवात झाली आहे आणि त्याची भावी वाटचाल नक्‍कीच यशस्वी होईल. तज्ज्ञांच्या मते, पुढल्या काही वर्षांत अशीच औषधं प्रामुख्यानं वापरली जातील- कारण ती पाण्यात विरघळणारी, लक्ष्यवेधी आणि निर्धोक असतील. भावी युगातला एक महत्त्वाचा टप्पा म्हणजे वैयक्तिक औषधं. एकाच रोगावरच्या दोन रोग्यांना त्यांच्या विशिष्ट डीएनए रचनेमुळं दोन वेगवेगळी औषधनिर्मिती या संकल्पेनेचं मोठ्या वटवृक्षात रूपांतर होऊन सरसकट सार्वत्रिक औषधपद्धतीत बदल होतील आणि तो रसायनशास्त्राचा एक महत्त्वाचा टप्पा ठरेल. वेगवेगळे सेन्सर्स आणि नॅनो पदार्थान्वये हातावरच्या घड्याळात रक्‍तदाब, साखर आणि इतर रक्‍तघटकांचं सतत स्मरण हे काही दिवसात स्मरणरंजन राहणार आहे.

ऊर्जा क्षेत्रात उच्च तपमानाला सुपर कंडक्‍टिंग मटेरिअल्सच्या उत्पादनानं या क्षेत्राला नवीन दिशा मिळेल. ऊर्जासंग्रहासाठी नवपदार्थनिर्मिती, सौर फोटोव्होल्टाइक सेलसाठी नवीन पदार्थनिर्मिती, परिणामकारक स्मार्ट फ्युएल सेल्स, बॅटरीजचं उत्पादन ही रसायनशास्त्रापुढची आव्हानं असणार आहेत. सध्याच्या तेल खाणींतून जास्तीत जास्त तेल मिळवणं, नको असलेली अमाइन्स दूर करणं, पर्यावरणपूरक आणि हाताळायला सोपे असे गंजरोधक पदार्थ, कार्बन डाय ऑक्‍साइडचं उपयुक्‍त रसायनांत रूपांतर, हायड्रोजन संग्रहण आणि प्रकाशसंश्‍लेषणाची रासायनिक आवृत्ती या सर्वांसाठी लागणाऱ्या रसायनांची संकल्पना आणि निर्मिती करणं हे आव्हानात्मकच आहे.

अन्नक्षेत्राचा विचार केला, तर प्रामुख्यानं अन्नाची पोषणमूल्यं वाढवणं, नवीन निर्धोक खतं/ कीटकनाशकांची आणि पशुऔषधाची निर्मिती, कंट्रोल्ड रिलिज औषधं, फळांचं आयुष्य वाढवणारी निर्धोक द्रव्यं, मृद्‌-विश्‍लेषणाच्या नवीन पद्धती यासाठी लागणाऱ्या रसायनांनी अन्ननिर्मितीचा चेहरामोहराच बदलणार आहे. करमणुकीच्या आणि खेळांच्या क्षेत्रातही रसायनशास्त्र महत्त्वाची भूमिका बजावणार आहे. माहिती-साठवणीची क्षमता वाढवणाऱ्या रसायनांबरोबरच त्यांचं कार्य चालू-बंद करण्यासाठी लागणाऱ्या बटनाची भूमिकाही रसायनंच बजावतील. महत्त्वाचं म्हणजे भावी काळातले संगणक हे दृश्‍य स्वरूपात नसतील आणि त्यातली माहिती-साठवण आणि वाहतूक ही सध्याच्या व्यवस्थेऐवजी चक्क डीएनए किंवा दुसरी जीव रसायनंच करतील. खेळांच्या प्रगतीत तर रसायनशास्त्राचा मोठाच वाटा असेल. टेनिसच्या रॅकेटच्या आकार आणि वजन यांचा समतोल राखणारी रसायनं (कार्बन नॅनो ट्यूब्ज) क्रिकेटच्या, फुटबॉलच्या चेंडूचं अंतरंग, उंच/लांब उडीसाठी लागणाऱ्या काठ्या, जलतरणपटूंचे पोशाख... प्रत्येक गोष्ट सुलभ व्हावी यासाठीच नवनवीन रसायनांचा शोध घेतला जाईल.

पाण्याबाबतचं नवं ‘रसायन’
तिसरं महायुद्ध आलं, तर ते पाण्यासाठी होईल, असं म्हणतात आणि त्यातही पिण्याच्या पाण्याचा प्रश्‍न मोठाच आहे. त्याच्या शुद्धीकरणासाठी लागणारे नावीन्यपूर्ण रासायनिक पडदे किंवा निर्जंतुकीकरणासाठी लागणारी नवीन रसायनं यातल्या संशोधनामुळं या क्षेत्रातही रसायनशास्त्र महत्त्वाची भूमिका बजावेल यात शंका नाही. तसंच पृथ्वीवर पडणाऱ्या आणि परावर्तीत होणाऱ्या प्रकाशाचं प्रमाण योग्य त्या प्रमाणात बदलणं, सागर फलीभवनाद्वारे माशांचं उत्पादन वाढवणं अगर कार्बन डाय ऑक्‍साईडचं प्रमाण घटवणं यासाठी लागणारी नवीन रसायनं शोधल्यानं वातावरण बदल आणि पर्यावरण संरक्षण यात सकारात्मक बदल दिसून येतील. समुद्राच्या पाण्याचं पिण्याच्या पाण्यात रूपांतर करणारी कार्यतत्पर रसायनं आणि त्याच्या वापर पद्धतीतही निश्‍चित बदलाव अपेक्षित आहे.

रसायनशास्त्राची प्रगती होईल तशातशा नवीन पदार्थ विश्‍लेषण करण्यासाठीच्या पद्धती आणि उपकरणंही अद्यावत असणं आवश्‍यक आहे. काही मायक्रोग्रॅम (मिलिग्रॅमचा शंभरावा भाग) पदार्थात त्याचे सर्व गुणधर्म मोजणारी यंत्रणा (सिन्क्रोटन) सध्यापेक्षा जास्त कार्यक्षम बनवावी लागेल. संगणकाच्या साह्यानं सर्व गुणधर्म काही सेकंदांत मिळतील आणि त्याचा उपयोग नवीन पदार्थ निर्मितीत करता येईल. नुसतेच पदार्थाचे मिश्रणाचे गुणधर्म आणि शुद्धता जाणण्याऐवजी त्रिमिती आणि कालसापेक्ष त्याची संरचना कशी आहे, हे जाणण्याची यंत्रणाही तयार होईल. याबरोबरच रसायनशास्त्राशी संलग्न आंतरशाखीय विषय म्हणजे रासायनिक जीवशास्त्र, संगणकीय रसायनशास्त्र, मटेरिअल केमिस्ट्री याही पुस्तकातल्या व्याख्या बदलवणारी शास्त्रं किंवा पदार्थाचं इतर पदार्थाच्या संगतीत होणाऱ्या बदलाचा अभ्यास करणारं शास्त्र म्हणजेच सुप्रामॉलिक्‍युलर केमिस्ट्री यांचीही घोडदौड चालूच राहील आणि त्यापासून अपेक्षित गुणधर्म असलेले नवीन पदार्थही मिळतील. बहुलक (पॉलिमर) रसायनशास्त्रामुळं नवीन वस्त्रं, पर्यावरणपूरक आणि जैवविघटित असं प्लॅस्टिक अशी अनेक नवनवीन उत्पादनं मिळतील आणि सध्याचा प्लॅस्टिक वापराचा कायदा शास्त्रीय पायावर सुनियंत्रित करता येईल. याशिवाय रसायनशास्त्राशी संलग्न आणि निगडित शास्त्रशाखांची संख्या खूप आहे आणि स्थळाअभावी त्यांची नुसती नामावली देणंही शक्‍य नाही. मात्र, मुद्दाम उल्लेख करायला हवा तो संगणकीय रसायनशास्त्राचा, याद्वारे सिम्युलेशनचा वापर करून विक्रियांची संख्या कमी करूनही नेमके गुणधर्म असणारी रसायनं तयार करता येतील किंवा पदार्थाच्या अंतरंगी संरचनेच्या अभ्यासावरून त्याच्या उपयोगाबद्दलचे आडाखेही बांधता येतील. 

या रसायनशास्त्राच्या घोडदौडीला साजेसं तंत्रज्ञानही त्याच वेगानं विकसित व्हायला हवं. संगणकाच्या मदतीनं नियंत्रित संयत्रं, ऊर्जाबचत करणारी यंत्रणा, कमीत कमी वेस्टेज असणारी आणि त्याची विल्हेवाटही पर्यावरणपूरक पद्धतीनं लावण्याच्या पद्धती, वेगवेगळी स्वयंनियामक उपकरणं याही पद्धतींत सुधारणा होणं आवश्‍यक आहे. 

फ्लो केमिस्ट्री टेक्‍निक
एका वेगळ्याच पद्धतीचा उल्लेख करणं आवश्‍यक आहे. ती म्हणजे फ्लो केमिस्ट्री टेक्‍निक. आतापर्यंत आपण सर्व प्रक्रिया चंबू अगर मोठ्या भांड्यांत (व्हेसल) करत होतो. आता त्याच्याऐवजी याच प्रक्रिया नलिकेत करता येतील. पंपाच्या साह्यानं हवे असणारे घटक त्या नलिकेत आणायचे, ते योग्य त्या दिशेनं फिरवायचे आणि सरतेशेवटी येणारं उत्पादन काढून घ्यायचं किंवा पुढच्या प्रक्रियेसाठी वापरायचं. प्रथमदर्शनी आश्‍चर्यकारक वाटणारी ही यंत्रणा आता हळूहळू मूळ धरू लागलीय आणि भावी कालात उच्च तपमानाला आणि दाबाला होणाऱ्या प्रक्रिया, द्रावकाचा कमी वापर, कमी साइड प्रॉडक्‍ट्‌स (उपपदार्थ) निर्मिती, भरघोस उत्पादन, सुरक्षित प्रक्रिया यांमुळं ही एक हरितक्रांतीच ठरेल. साखळी प्रक्रिया, वेगवेगळे कॅटॅलिस्टही यात वापरता येतील. परिणामी १५०० लिटर सयंत्राऐवजी ९० लिटरची नलिका वापरून तीच प्रक्रिया त्याच पद्धतीनं करता येतील.

थोडक्‍यात काय रसायनशास्त्र किंवा शास्त्रज्ञ काय जीवनव्यापी क्षेत्रांत पुढच्या पाव शतकात महत्वाची कामगिरी बजावतील आणि राष्ट्राच्या प्रगतीत महत्त्वाची कामगिरी पार पाडतील, यांत शंकाच नाही. औषधं, खतं, रंग, संगणक, इलेक्‍ट्रॉनिक, हवामानबदल, पेयजल, ऊर्जा, आणि आरोग्य या सर्व क्षेत्रांत पर्यावरणपूरक आणि सुरक्षित प्रक्रियाद्वारे समाजाचं जीवनमान ते उंचावतील यांत शंका नाही. अखेर विज्ञानाच्या प्रगतीचा हाच तर मूळ उद्देश आहे. 

विज्ञानाची प्रगती ही नेहमीच गतिशील आणि सातत्यपूर्ण असते. त्यामुळं विशिष्ट कालखंडानंतर नेमकं काय होईल, याचं भाकीत करणं तितकंच कठीणही असतं. या लेखात वर्णिलेल्या काही गोष्टींची सुरवात झाली आहे किंवा काही बाबतीत एखादा विशिष्ट टप्पा गाठला असेल. गेल्या काही वर्षांतली विज्ञानाची प्रगतिचक्रं, वेग पाहता यातल्या काही गोष्टी लवकरही होण्याची शक्‍यता नाकारता येणार नाही आणि ते मानवी प्रगतीला पूरकच ठरेल, यात शंका नाही.

भारताचं स्थान कुठं?
सरतेशेवटी, भारत यात कुठं? आज भारत आणि विकसित राष्ट्रं यांच्या विज्ञान-प्रगतीत बरीच दरी आहे हे खरंच आहे; पण आपण कसून प्रयत्न केले, आंतरशाखीय संशोधनाला योग्य ती दिशा दिली आणि मानवी जीवनाला आवश्‍यक असणाऱ्या पर्यावरणपूरक आणि सुरक्षित अशा प्रक्रिया विकसित केल्या, तर ही दरी निश्‍चितच कमी होईल आणि १९३० पासून हुलकावणी देत असलेला नोबेल पुरस्कार भारतीय भूमीवर, भारतीय शास्त्रज्ञानं केलेल्या संशोधनाला भावी काळात मिळेल अशी आशा आहे आणि तोच भारतीय विज्ञानाच्या दृष्टीनं सुवर्ण दिन असेल.

'सप्तरंग'मधील इतर लेख वाचण्यासाठी क्लिक करा